高分辨率3D图像显示了大脑血管如何随年龄而变化

衰老是各种神经退行性疾病的主要风险因素。衰老常常与脑血管和周细胞受损有关。然而，我们还不清楚正常衰老是如何对不同脑区的血管结构和功能产生影响的。

宾夕法尼亚州立大学的研究人员近日梳理了大脑中的血管和周细胞类型如何随着衰老而发生变化。这些变化可以解释正常衰老过程中不同脑区的脆弱性和恢复力，为未来设计实验和计算方法来全面了解大脑衰老提供了依据。

这篇题为“Aging drives cerebrovascular network remodeling and functional changes in the mouse brain”的文章发表在《Nature Communications》杂志上。

研究团队利用先进的成像技术绘制了小鼠的大脑血管网络图，展示了血管细胞和结构如何随着年龄的增长而发生变化，并确定了容易退化的区域。当血管退化时，大脑中的神经元就会缺乏能量，导致功能障碍或死亡。这会引起血管性痴呆，还会导致睡眠障碍等症状。

通讯作者、宾夕法尼亚州立大学副教授Yongsoo Kim表示：“对于像阿尔茨海默病这样的疾病，当你通过磁共振成像看到血管变化和明显的大脑萎缩时，细胞已经死亡。我们需要了解这些细胞和结构在此之前是如何变化的。这项研究提供了神经退行性疾病的早期征兆，有望实现早期诊断，并为减缓衰老过程和认知变化提供线索。”

据Kim说，衰老是神经退行性疾病的风险因素之一。“然而，对于正常衰老本身如何改变大脑，特别是大脑的血管系统，我们还没有很好的基本认识，”Kim说。随着人口老龄化的加剧，了解这些变化至关重要，尤其是血管网络中的变化。

血管，尤其是微血管，调节着神经元的氧气和能量供应，以及废物清除。Kim 认为，尽管它们很重要，但现有的大多数研究都侧重于神经元结构和功能如何随着时间的推移而退化，而不是血管系统。

当研究人员分析大脑血管时，他们主要研究大的血管，或者关注大脑中比较容易接近的区域，即体感皮层。更重要的是，典型的神经成像技术（如磁共振成像）的分辨率不够高，无法观察微血管内发生的事情，而这些血管占大脑血管系统的80%至85%。

Kim及其团队利用两种高分辨率的3D绘图技术绘制了一张详细的整个小鼠大脑血管网络图：连续双光子断层扫描——一种创建一系列堆叠2D图像的技术；光片荧光显微镜，它对完整的3D样本进行成像，以单细胞分辨率观察整个大脑。研究人员对年轻和年老小鼠的大脑进行成像，绘制出正常衰老过程中大脑血管的变化。

Kim表示：“由于我们正在进行高分辨率绘图，我们可以重建整个血管结构，扫描整个大脑，以确定随着年龄的增长而发生选择性退化的区域。我们发现，大多数人研究的区域变化最小，而大脑深层区域却发生了深刻变化。这表明，对于衰老研究，我们一直在关注错误的区域。”

图像显示，血管网络的变化并不是均匀发生在整个大脑中。相反，它们集中在基底前脑、皮层深处和海马网络，表明这些区域更容易受到血管退化的影响。这些区域在注意力、睡眠、记忆处理和存储等功能中发挥作用。

随着年龄的增长，大脑中的血管长度和分支密度减少了大约10%，这表明分配血液的网络变得更稀疏。Kim解释说，与年轻人相比，老年人大脑中的动脉也变得更加扭曲，这会阻碍血液流动，尤其是远离主动脉的区域，如大脑皮层深处。

研究人员还检查了血管的功能变化，发现老年人大脑的系统反应更慢。这意味着它不能像细胞需要的那样迅速为神经元提供能量。周细胞也会减少，这是一种调节血液供应和血管通透性的细胞。结果，血管出现“漏洞”，损害了血脑屏障。

下一步，研究人员将研究阿尔茨海默病引起的大脑变化如何影响血管健康和神经元功能。最终，他们希望这项工作将催生新疗法来治疗神经退行性疾病。